西南科大在環(huán)境友好材料領(lǐng)域獲重大突破

近日，我校環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室（籌）常冠軍副研究員在《Advanced Materials》上發(fā)表題為“High-Performance PH-switchable Supramolecular Thermosets via Cation–π Interactions”的論文。《Advanced Materials》是材料與化學大領(lǐng)域的國際頂級期刊，在國際材料領(lǐng)域享譽盛名，截至發(fā)稿時間即時影響因子為21.106。該期刊以通訊文章接收發(fā)表材料和化學領(lǐng)域相關(guān)的頂尖科研成果。這是我校首次在該期刊上以第一通訊單位發(fā)表高水平科研成果，標志著我校的環(huán)境和能源材料研究水平達到了一個新高度。

     剛性骨架高性能聚合物具有良好的熱性能和機械性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天和微電子等高新技術(shù)領(lǐng)域。近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，傳統(tǒng)高性能聚合物材料已不再滿足人們更為苛刻的應(yīng)用需求，例如更加優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械強度等。眾所周知，通過聚合物分子鏈間交聯(lián)的方式可以進一步增強聚合物主體穩(wěn)定性，提高高性能聚合物的綜合性能，從而獲得超高性能聚合物材料。然而，交聯(lián)后的聚合物很難再循環(huán)利用，不能重鑄，廢棄材料只能采用燃燒和廢渣填埋法處理。隨著人們對環(huán)境保護和資源合理再利用要求的不斷提高，這種燃燒和廢渣填埋的方法勢必受到限制。因此，開拓一種新的設(shè)計理念和策略使得目標聚合物形成可控的剛性骨架交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而滿足人們對材料高性能的要求。另外，人們希望這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)可在特定條件下解除，成功實現(xiàn)聚合物材料的重鑄和循環(huán)利用。隨著人們對高性能乃至超高性能聚合物需求量的不斷擴大，高性能交聯(lián)聚合物材料的回收和循環(huán)再利用將是我們共同面臨的難題。因此，開發(fā)簡單有效且具多樣性的高性能交聯(lián)聚合物及其循環(huán)利用方式是目前急需解決的科學問題。

陽離子-π作用被認為是一種新型的非共價相互作用，其作用力強，并廣泛存在于化學和生物體系中，在分子識別、蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能等許多方面起著十分重要的作用。陽離子-π作用是一種存在于陽離子和芳香性體系之間的相互作用。縱覽人們對分子間陽離子-π 相互作用的研究，大多集中在對小分子的實驗和理論研究，然而在對高分子聚合物領(lǐng)域的應(yīng)用少有涉及。聚合物屬于“軟物質(zhì)”，且具有較長的分子鏈，因此聚合物鏈之間陽離子-π相互作用遠大于共價鍵相互作用，這種非共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進一步增大聚合物鏈之間的分子間作用力，提高了聚合物材料綜合性能。同時，我們也注意到陽離子-π這種非共價相互作用能夠在某種外界刺激的情況下解除，進而實現(xiàn)原始底物的還原。常冠軍在High-Performance PH-switchable Supramolecular Thermosets via Cation–π Interactions”中，依據(jù)聚合物材料的“軟物質(zhì)”特性，通過陽離子-π相互作用獲得高性能聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，滿足人們對高性能聚合物高熱穩(wěn)定性和高強度的需求，這種物理的交聯(lián)方式可在外界“刺激”條件下解除，從而實現(xiàn)聚合物的回收和循環(huán)利用。這類研究的深入開展能夠為高性能交聯(lián)聚合物的構(gòu)筑與再生提供新的途徑和新的設(shè)計理念，發(fā)展一類用傳統(tǒng)方法難以獲得的結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)異、可再生修復(fù)的交聯(lián)高性能材料。

    高性能聚合物物理特性的無損探測極為重要，但其實現(xiàn)也非常困難，是高分子科學領(lǐng)域的一個難點。常冠軍研究小組提出的通過熒光檢測聚合物材料力學性能的概念，建立了熒光與力學性能之間的關(guān)系方程，實現(xiàn)了熒光對力學性能的無損探測。這種非傳統(tǒng)的方法對于新材料的開發(fā)將起到極大的促進作用。

這次發(fā)表在《Advanced Materials》上的研究成果標志著環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室（籌）在環(huán)境能源領(lǐng)域開創(chuàng)并即將引領(lǐng)新的科研方向。

據(jù)悉，該研究工作得到了國家自然科學基金委《聚合物鏈間陽離子-π相互作用的構(gòu)筑與作用機理的研究》（11447215）、《金屬配位交聯(lián)高性能聚合物的構(gòu)筑及其絡(luò)合/解離機理研究》（21504073）、四川省科技廳杰出青年培育計劃（2016JQ0055）、西南科技大學龍山學術(shù)人才科研支持計劃和國家留學基金委的經(jīng)費支持。

 論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704234/full

（吳安輝  編輯）  

常冠軍簡介：

博士，副研究員，環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室（籌）副主任，美國常春藤高校-賓夕法尼亞大學訪問學者，西南科技大學龍山學術(shù)人才科研支持計劃拔尖人才。從事功能高分子的分子設(shè)計和氣體的富集與分離研究工作。